一種基于速度匹配譜測量氣液兩相流相分界面位置的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及了一種氣液界面測量的方法，尤其是涉及了一種基于速度匹配譜測量 氣液兩相流相分界面位置的方法。
【背景技術】
[0002] 在目前的氣液兩相流相分界面位置的測量方法中，光學法、高速攝影法、電阻抗 (電導）法以及超聲波法應用較為廣泛。光學法和高速攝影法都是通過光學元件得到氣液 兩相流內(nèi)部信息，要求氣液兩相流（某些情況下包括管壁）具有良好的光學透明特性，這一 點極大地限制了此類方法在工業(yè)上的應用。射線法通過向介質(zhì)內(nèi)部發(fā)射由放射性物質(zhì)產(chǎn)生 的射線來探測氣液兩相流的內(nèi)部構成，因射線具有直線傳播、穿透性好、能量衰減與路徑上 的介質(zhì)密度分布有近似線性關系等特點，這類方法往往可以得到較好的測量效果，但射線 對操作人員有潛在的危險。電阻抗（電導）法通過一組電極探測兩相流內(nèi)部的電阻抗（或 電導率）分布來去確定兩相流內(nèi)部的組分構成，這是一類接觸式測量方法，缺點之一是電 極可能對介質(zhì)造成污染或影響兩相流原有特性，缺點之二是要求連續(xù)相介質(zhì)必須具有良好 的導電性。
[0003] 超聲波法用于氣液兩相流流量測量有諸多優(yōu)點：超聲波對容器或管道的材質(zhì)無特 殊要求，對介質(zhì)的導電性、介電常數(shù)、透光性無特殊要求，可實現(xiàn)非接觸測量，安全性好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述方法的不足，本發(fā)明提出了一種基于速度匹配譜測量氣液兩相流相 分界面位置的方法，這種方法準確性和可靠性較高。
[0005] 本發(fā)明所采用的技術方案是：
[0006] 本發(fā)明是將一套或者若干套帶有收發(fā)一體式超聲波換能器的超聲波收發(fā)裝置固 定安裝在裝有氣液兩相流的管道管壁上；超聲波換能器向氣液兩相流中發(fā)射超聲波脈沖， 超聲波脈沖遇到反射物在氣液兩相流的相分界面位置發(fā)生反射，回波信號通過二極管峰值 包絡檢波器調(diào)制后得到回波包絡信號，進而得到回波包絡信號圖，對回波包絡信號圖進行 處理得到包絡信號數(shù)據(jù)；對包絡信號數(shù)據(jù)采用基二快速傅里葉變換計算方法計算得到速度 譜；速度譜上各個峰值連接成一條斜直線，將斜直線與各個回波包絡信號的交點的橫坐標 為超聲波換能器與反射物之間的距離，即得到氣液兩相流相分界面位置。
[0007] 所述對回波包絡信號圖進行處理得到包絡信號數(shù)據(jù)具體如下：連接所有回波包絡 信號的曲線的中間數(shù)據(jù)點作一條直線作為基準線，以最中間回波包絡信號的曲線的中間數(shù) 據(jù)點為旋轉(zhuǎn)中心，將基準線向左或向右旋轉(zhuǎn)固定角度；旋轉(zhuǎn)后的直線與回波包絡信號曲線 之間的交點處的數(shù)據(jù)為包絡信號數(shù)據(jù)。
[0008] 所述的超聲波收發(fā)裝置包括計算機、高密度數(shù)字化儀、脈沖發(fā)生及接收器、收發(fā)一 體式超聲波換能器，收發(fā)一體式超聲波換能器依次經(jīng)脈沖發(fā)生及接收器、高密度數(shù)字化儀 連接到計算機。
[0009] 所述的若干套超聲波收發(fā)裝置沿同一圓周等間隔固定安裝在管道管壁上。
[0010] 所述的二極管峰值包絡檢波器包括二極管D、電容C和電阻R，電容C和電阻R并 聯(lián)在輸入端和輸出端之間，輸入端的正極與電容C之間連接有二極管D，電阻R和電容C的 取值滿足：
[0011] fh<< RC << f c
[0012] 其中，fh為二極管峰值包絡檢波器調(diào)制后信號的最高頻率，f。為二極管峰值包絡 檢波器調(diào)制載波信號頻率。
[0013] 所述回波信號在二極管峰值包絡檢波器中采用以下方式進行調(diào)制：
[0014] us (t) = Um0 (l+macos Q t) cos ?ct
[0015] 其中，Q和分別為調(diào)制信號和載波信號的角頻率，Uni。為輸入信號的直流分量， ma為調(diào)制系數(shù)，t表示時間。
[0016] 本發(fā)明得到的速度譜如圖5的下半部分所示，橫軸表示速度，縱軸表示幅度。其中 一條斜直線與包絡信號產(chǎn)生k個交點，將k個點看成一個信號序列，對其進行基二快速傅里 葉變換，得到的基二傅里葉變換結果的初次項系數(shù)表示速度譜上的一個數(shù)據(jù)點，對其他斜 率的直線作同樣的處理，得到速度譜上的其他數(shù)據(jù)點，從而得到了速度譜。
[0017] 本發(fā)明具有的有益效果是：
[0018] 本發(fā)明方法對容器或管道的材質(zhì)無特殊要求，對介質(zhì)的導電性、介電常數(shù)、透光性 無特殊要求。
[0019] 本發(fā)明方法是一種非接觸式測量方法，它不會干擾管道中流體的分布。
[0020] 本發(fā)明方法與射線法相比，它不會對環(huán)境造成危害，并且成本較低，安全性好，能 夠在工業(yè)領域得到廣泛的應用。
【附圖說明】
[0021] 圖1是本發(fā)明超聲波收發(fā)裝置結構圖。
[0022] 圖2是本發(fā)明超聲波收發(fā)過程示意圖。
[0023] 圖3是本發(fā)明管道截面示意圖。
[0024] 圖4是本發(fā)明二極管峰值包絡檢波器原理圖。
[0025] 圖5是本發(fā)明回波包絡信號及速度譜的原理圖。
[0026] 圖6是本發(fā)明實施例得到的回波包絡信號及速度譜的示意圖。
【具體實施方式】
[0027] 下面介紹一種基于速度匹配譜測量氣液兩相流相分界面位置的具體實例。
[0028] 本發(fā)明方法是將一套或者若干套帶有收發(fā)一體式超聲波換能器的超聲波收發(fā)裝 置固定安裝在裝有氣液兩相流的管道管壁上；超聲波換能器向氣液兩相流中發(fā)射超聲波脈 沖，反射物一直處于移動狀態(tài)，超聲波脈沖遇到反射物在氣液兩相流的相分界面位置發(fā)生 反射，回波信號通過二極管峰值包絡檢波器調(diào)制后得到回波包絡信號，進而得到回波包絡 信號圖，對回波包絡信號圖進行處理得到包絡信號數(shù)據(jù)：回波包絡信號圖為將各個回波包 絡信號的曲線以超聲波換能器1與反射物之間的距離為橫坐標由時間順序沿縱坐標依次 間隔排布上下依次平行排列作圖，選取反射物在總飛行時間內(nèi)移動的距離作為回波包絡信 號圖的橫坐標長度；連接所有回波包絡信號的曲線的中間數(shù)據(jù)點作一條直線作為基準線， 以最中間回波包絡信號的曲線的中間數(shù)據(jù)點為旋轉(zhuǎn)中心，將基準線向左或向右旋轉(zhuǎn)固定角 度，優(yōu)選的旋轉(zhuǎn)固定角度的范圍是O~r，向左和向右旋轉(zhuǎn)不超過回波包絡信號圖的左邊 界和右邊界，回波包絡信號圖中的左邊界和右邊界均表示超聲波脈沖遇到反射物后發(fā)生反 射的臨界位置；旋轉(zhuǎn)后的直線與回波包絡信號曲線之間的交點處的數(shù)據(jù)為包絡信號數(shù)據(jù)， 旋轉(zhuǎn)后的直線并未全部畫出，僅僅畫出了向左和向右各旋轉(zhuǎn)20°后的直線。
[0029] 對包絡信號數(shù)據(jù)采用基二快速傅里葉變換計算方法計算得到速度譜；速度譜峰值 對應的斜直線與回波包絡信號的交點的橫坐標為超聲波換能器與反射物之間的距離，即氣 液兩相流相分界面位置。
[0030] 超聲波收發(fā)裝置結構圖如圖1所示，超聲波收發(fā)裝置包括計算機、高密度數(shù)字化 儀、脈沖發(fā)生及接收器、收發(fā)一體式超聲波換能器，收發(fā)一體式超聲波換能器依次經(jīng)脈沖發(fā) 生及接收器、高密度數(shù)字化儀連接到計算機。
[0031] 超聲波的收發(fā)過程如圖2所示，超聲波換能器1、氣泡2、液體3、管道4組成超聲波 收發(fā)過程的示意圖。超聲波換能器1集發(fā)射和接收信號于一體。超聲波換能器1向管道內(nèi) 部發(fā)射超聲波，由于在超聲波的傳播路徑中存在反射物，反射物可以是氣泡2和容器4壁， 也有可能是液體3中的顆粒，所以當超聲波在傳播的過程中，遇到反射物會產(chǎn)生回波，回波 包括：在氣泡2與液體3的分界面位置上產(chǎn)生的回波，在管道4的管壁上產(chǎn)生的回波以及由 顆粒產(chǎn)生的回波，產(chǎn)生的回波通過超聲波換能器1接收。
[0032] 管道截面示意圖如圖3所示，若干套超聲波收發(fā)裝置沿同一圓周等間隔均布固定 安裝在管道管壁上。
[0033] 超聲波收發(fā)裝置用以下方式安裝：取圓管道的某一橫截面，將兩個半圓形鐵箍通 過螺絲夾裝在管道截面上，將管道和鐵箍以間隔角度0，一起打上與超聲波換能器螺紋相 匹配的螺孔，將管壁打通，把超聲波換能器安裝到螺孔中固定。若干套超聲波收發(fā)裝置之間 的間隔角度與超聲波換能器的數(shù)量存在關系，假設超聲波換能器數(shù)量為n，間隔角度為0， 兩者之間滿足9 = 360° /n。
[0034] 二極管峰值包絡檢波器如圖4所示，包括：二極管D、電容C和電阻R，電容C和電 阻R并聯(lián)在輸入端和輸出端之間，輸入端的正極與電容C之間連接二極管D，電阻R和電容 C的取值滿足：
[0035] fh<< RC << f c
[0036] 其中，fh為二極管峰值包絡檢波器調(diào)制后信